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靜止的流體:深度、壓力與帕斯卡

為何在泳池底部耳朵會脹痛、水為何總是找到自己的水平面,以及對密封流體的一個小推力如何舉起一輛汽車——不流動之流體的物理。

越深,壓力越高

潛到泳池底部,才幾公尺,你的耳朵就開始脹痛。沒有東西抓住你;只是水在更用力地推。原因美妙地簡單:每一層流體都必須撐住其上方所有流體的重量。越往下,頭頂的重量越多,壓力便節節上升。這種隨深度而增的擠壓就是靜水壓力

壓力隨深度上升:越深,箭頭推得越用力,因為更高的流體柱壓在每一點上。

讓我們把這幅圖轉成方程式。想像一根截面積為 A、深達 h 的流體柱。柱內流體的體積為 V = A h,故質量為 m = \rho A h,重量為 \rho A h g。這重量壓在底部面積 A 上,在上方表面原本的壓力 P_0 之上,再加上 \text{重量}/A = \rho g h 的壓力。

P = P_0 + \rho g h

靜水壓方程式:深度 h 處的壓力等於表面壓力 P₀ 加上 ρgh。這裡 P₀ 通常是壓在流體頂面的大氣壓。

只有深度重要——形狀無關

注意方程式裡沒有出現什麼:面積 A 消掉了,容器的形狀也消掉了。流體中的壓力只取決於液面下的垂直深度。一根細吸管與一座廣闊的湖,只要注到相同深度,底部的壓力就完全相同。這正是著名的靜水悖論,也是為何相連而同一高度的任兩點壓力相等——正因如此,水才會找到自己的水平面,水平儀也才能運作。

錶壓與絕對壓力

壓力有兩種報法。絕對壓力從完全真空起算;上面的潛水者是 $1.3 atm 絕對壓。**[[gauge-pressure|錶壓]]**則從當地大氣起算——它是高出周圍空氣的*額外*壓力,也是輪胎壓力計或血壓袖帶所顯示的值。兩者關係很簡單:絕對壓 = 錶壓 + 大氣壓。一個打到「200\text{ kPa}$」的輪胎,實際上約為 300\text{ kPa} 絕對壓。

靜水壓方程式也是我們量測壓力的方法。氣壓計用一柱液體去平衡大氣:P = \rho g h 讓高度得以代表壓力。水銀密度 13{,}600\text{ kg/m}^3,只需 760\text{ mm} 高的柱就能平衡一大氣壓——這正是 760\text{ mmHg} 成為壓力單位的由來。若改用水,柱高得超過 10\text{ m},這也正是抽吸式幫浦無法把水提升超過約十公尺的原因。

帕斯卡原理與液壓

現在去擠壓一個密封、且(如大多數液體般)基本不可壓縮的流體。由於流體既不能縮小、又不能抵抗剪切,你在某處施加的任何壓力增量,都會原封不動地出現在流體的每一處。這就是帕斯卡原理,也是每一部液壓機械運作的核心。

想像一部液壓機:兩個面積不同的活塞用油相連。輕推小活塞(面積 A_1),你就讓各處壓力上升 \Delta P = F_1/A_1。同一壓力向上推動大活塞(面積 A_2),施力為 F_2 = \Delta P \, A_2。令共享的壓力相等,即得液壓定律。

\dfrac{F_1}{A_1} = \dfrac{F_2}{A_2} \quad\Rightarrow\quad F_2 = F_1\,\dfrac{A_2}{A_1}

帕斯卡原理用於液壓機:輸出力等於輸入力乘以活塞面積比。